志贺氏菌感染与肠道微生物组：揭开腹泻奥秘与健康新解

《mSphere 3.7》：Dynamics of the gut microbiome in subjects challenged with Shigella sonnei 53G in a controlled human infection model

本文聚焦志贺氏菌（Shigella）感染，通过对照人体感染模型（CHIM）研究其对肠道微生物组的影响。发现感染后微生物组变化与症状相关，症状性感染患者微生物组改变更大且恢复不完全。这些结果有助于理解感染机制，为预防和干预提供依据。

　　### 志贺氏菌感染对肠道微生物组影响的研究
志贺氏菌（Shigella）是引发腹泻的重要病原体，主要影响低收入和中等收入国家的儿童以及国际旅行者。并非所有接触志贺氏菌或其他肠道病原体的个体都会出现症状，探究有症状和无症状个体之间的差异，有助于深入理解肠道病原体的增殖和症状反应。

研究背景

腹泻疾病在全球疾病负担中占比重大，每年全球估计有超过 40 亿例腹泻病例，100 万人死亡。5 岁以下儿童和低收入国家居民受影响尤为严重，腹泻会导致长期不良健康影响，如营养不良、儿童生长发育受损、免疫力抑制和肠道通透性改变。在旅行者和部署的军事人员中，腹泻也很常见，不仅会造成工作时间损失、旅行计划变更、就医增多，还可能引发慢性后遗症，如肠易激综合征（irritable bowel syndrome）、反应性关节炎（reactive arthritis），甚至导致获得抗菌耐药基因。

并非所有暴露于肠道病原体的个体都同样易感。控制人体感染模型（controlled human infection model，CHIM）研究让参与者接触特定剂量的肠道病原体，凸显了暴露后临床结果的异质性，从无症状感染到严重腹泻、发热和痢疾不等。已有研究表明，肠道微生物组中的特定微生物群可能通过营养竞争、抗菌活性或启动宿主免疫系统来抑制病原体增殖。本研究旨在剖析志贺氏菌感染过程中微生物组的动态变化，以及有症状和无症状个体微生物组的差异。

材料与方法

本研究采用先前描述的 CHIM，将宋内志贺氏菌（S. sonnei）53G 菌株以剂量递增的方式给予 56 名健康成年参与者。研究分为预感染期（第 -1 天至第 0 天）、感染期（第 0 天至第 5 天）、抗生素治疗期（第 5 天至第 7 天）和恢复期（第 8 天至第 28 天）。所有受感染参与者在接种后第 5 天开始接受环丙沙星治疗，每日两次，持续 3 天，除非临床需要提前治疗。在不同时间点收集粪便样本用于微生物组评估。

参与者若粪便中分离出志贺氏菌，且出现以下情况之一则被诊断为志贺菌病：（i）严重腹泻（24 小时内超过 6 次排便）；（ii）中度腹泻（24 小时内 4 - 6 次排便）伴有体温高于 38°C，和 / 或至少一种志贺氏菌感染症状（痉挛、肌痛、关节痛、头痛和呕吐）；（iii）痢疾（定义为多次稀便且可见血液）。

粪便样本经处理后，进行 16S rRNA 测序。测序数据在 R 语言中进行处理和分析，使用 Dada2 等工具过滤、比对和去噪，生成扩增子序列变异（amplicon sequence variants，ASVs）表和分类学表。使用多种 R 包进行多样性指标计算、差异丰度分析等统计分析。由于扩增子测序无法区分S. sonnei 53G 与其他志贺氏菌或大肠杆菌，分析时将属于志贺氏菌 / 大肠杆菌属的所有读数合并处理。

研究结果

在感染过程中，志贺氏菌的丰度在接种后第 3 天开始增加，部分参与者中其相对丰度最高可达 65%，不同参与者达到最大相对丰度的时间不同，到第 28 天时，志贺氏菌相对丰度恢复到接近感染前水平。且感染第 3 天，发生志贺菌病的参与者中志贺氏菌的比例显著高于未患病者。

通过计算香农指数（Shannon index）评估 alpha 多样性，分析发现研究天数、志贺菌病状态以及两者的相互作用均显著影响香农指数。在感染第 3、5、7 天，有症状和无症状参与者的香农指数存在显著差异。去除志贺氏菌读数后重新计算香农指数，发现其变化不大，表明多样性的改变主要由群落的较大变化驱动，而非志贺氏菌的存在。同时，志贺氏菌相对丰度与香农指数呈负相关。

利用置换多元方差分析（PERMANOVA）和主坐标分析（PCoA）研究微生物群落组成变化。结果显示，研究天数和志贺菌病状态是影响微生物组组成的重要因素。从感染第 3 天起，发生志贺菌病的参与者的微生物组与未患病者开始出现差异。未患志贺菌病的参与者在抗生素治疗结束（第 7 天）前微生物组与初始状态偏差不大，而患病参与者从第 3 天起就发生显著变化，且到第 28 天仍未恢复到初始状态。差异丰度分析发现，患病参与者在恢复期有 23 个 ASVs 的丰度发生显著变化，而未患病者没有。这些变化的 ASVs 包括感染前微生物组中的重要成员，如Faecalibacterium和Alistipes的减少，以及Lachnospiraceae gnavus组 ASV 的增加。

对所有参与者不同时间点的样本进行差异丰度分析，发现 76 个 ASVs 的丰度增加，53 个 ASVs 的丰度降低。通过层次聚类确定了 8 个具有相似时间模式的微生物簇，其中一些簇中的 ASVs 在抗生素治疗期间或之前增加。进一步分析感染前时间点的数据，发现 17 个 ASVs 与志贺氏菌呈正相关，这些 ASVs 所属的属包括Bifidobacterium、Faecalibacterium等。计算网络中节点的接近中心性发现，与志贺氏菌显著相关的 ASVs 平均接近中心性较低，表明这些微生物具有独特的时间动态。

对比感染前有症状和无症状参与者的微生物组，发现 16 个 ASVs 在未患志贺菌病参与者的初始微生物组中更丰富，如Bifidobacterium、Roseburia和Faecalibacterium；21 个 ASVs 在患病参与者中更丰富，包括多个Ruminococcus和Butyricimonas的 ASVs。

讨论

本研究探讨了宿主与肠道病原体相互作用中肠道微生物组对症状反应的影响。研究中 48% 的参与者发展为志贺菌病，16S 测序结果与培养结果基本相符，但也存在差异，可能是由于测序深度不足、测序死菌 DNA 或培养假阴性等原因。

未患志贺菌病参与者初始微生物组中更丰富的 ASVs 所属的属，如Bifidobacterium、Roseburia和Faecalibacterium，它们之间存在交叉喂养相互作用，可产生丁酸，对健康有益并减轻腹泻症状。而在患病参与者中更丰富的Akkermansia，虽然与短链脂肪酸产生有关，但过量可能会加剧炎症。

在志贺氏菌感染期间丰度增加的 ASVs，可能与志贺氏菌存在正相互作用，或利用感染引起的生态失调环境生长。其中一些 ASVs 与呼吸病原体相关，也有部分与有益微生物相关，但相对丰度增加并不一定意味着绝对丰度增加。

志贺菌病引起的微生物组变化在恢复后仍然存在。Faecalibacterium和Alistipes在患病参与者恢复期相对丰度下降，且未恢复到初始水平，低水平的Faecalibacterium与炎症性疾病和结直肠癌相关，Alistipes与多种疾病的保护作用有关。恢复期患病参与者中Ruminococcus gnavus的增加也与肠道炎症有关，可能导致感染后持续的胃肠道问题。然而，本研究存在局限性，如未研究感染 28 天后的情况，且抗生素的使用可能混淆微生物组的恢复动态，未来需要更多研究来明确无抗生素干预下的恢复情况。

结论

本研究揭示了志贺氏菌感染期间和恢复后肠道微生物组群落动态变化与参与者症状程度有关。患志贺菌病的参与者微生物群落变化更大，恢复后无法完全回到初始状态，且这种改变与胃肠道问题相关。未患志贺菌病的参与者初始微生物组中与丁酸产生相关的分类群更丰富。这些结果为理解志贺氏菌感染的症状差异提供了依据，表明增加丁酸产生可能预防志贺菌病，感染后的持续胃肠道问题可能受微生物组持续变化的影响，有望为以微生物组为重点的干预措施提供参考，以减少志贺氏菌感染的发生和持续影响。